飛剪的機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計《機(jī)械原理課程設(shè)計》

1、機(jī)械原理課程設(shè)計廖漢元孔建益聞欣榮李佳編撰瑟夂牙斗放*舉機(jī)械自動化學(xué)院機(jī)械設(shè)計與制造教研室1999年5月（02年再版）飛剪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計任務(wù)書工藝要求1剪切運(yùn)動速度為vt=2m/s的鋼板，拉鋼系數(shù)6=v刀/ v,=“,5 =1. 01-1. 052.兩種鋼板定尺（長度）l=lm; 0. 65m;3. 剪切時上下剪刃有間隙，剪切后上下剪刃不發(fā)生干涉（相碰）;4. 剪切時上、下剪刃沿鋼板運(yùn)動速度方向的速度相對誤差：v 刀0. 05=£ 二.給定參數(shù)1.工藝參數(shù)剪切力 f=10t=98kn;支座a距輟道面高約為h«250mm（如圖1）;刀刃重合量ah«5mm; 鋼板厚度

2、ab=lmm; 2.機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)只按定尺l=lm給出機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k、遠(yuǎn)極 位傳動角2、搖桿擺角:表1參數(shù)與方案方案號123451. 121. 141. 161. 181. 2074°73°72°70°68°16°17°18°20°22°三設(shè)計內(nèi)容1.根據(jù)工藝要求制定機(jī)構(gòu)方案，定性比較各方案的優(yōu)、劣；2 .設(shè)計出滿足工藝要求的機(jī)構(gòu)尺寸及上下剪刃的位置尺寸；3 根據(jù)最終設(shè)計結(jié)果按比例繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及上下剪刃的軌跡；4.進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動及力分析，檢驗上下剪刃的速度相對誤差、拉鋼系數(shù)是否滿要求，并

3、 求出曲柄上的平衡力矩mb飛剪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計指導(dǎo)書二，對剪機(jī)運(yùn)動的要求：1.曲柄轉(zhuǎn)一圈對鋼材剪切一次；2剪切時，上、下剪刃速度相對誤差小于其許用值： v刀=2 |ve廠vf（i/ （ve+vfj< e = 0. 05. 3.剪切時，上下剪刃應(yīng)與鋼材運(yùn)動同步。 一般希望剪刃速度略大于鋼材運(yùn)動速度，即拉鋼系數(shù)§> 1:“ 鞏）/2;5= v/ vt=s =1. 01 1. 054.能調(diào)節(jié)鋼材的剪切長度l1.工藝參數(shù)剪切力 f=10t=98kn三，設(shè)定參數(shù)支座a距車?yán)サ烂娓呒s為h «250mm鋼板厚度b=lmm2.機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)按定尺l=lm給出機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k、遠(yuǎn)

4、極位傳動角丫2、搖桿擺角屮如表1所示。 四機(jī)構(gòu)的型綜合首先對工藝要求進(jìn)行分析，把工藝要求變換為對機(jī)構(gòu)運(yùn)動的要求, 然后根據(jù)對機(jī)構(gòu)的動作要求進(jìn)行型綜合。1 工藝對機(jī)構(gòu)的動作要求：(1)為完成剪切，上下剪刃應(yīng)完成相對分合運(yùn)動;(2) 為剪切運(yùn)動中的鋼材，上下剪刃在完成相對分合運(yùn)動的同時還應(yīng)有沿鋼材方向的運(yùn) 動；(3) 根據(jù)以上要求可知，上下剪刃運(yùn)動軌跡之一應(yīng)為封閉曲線(如圖3a)、b)、c)所示)。 圖3 d)上下刀刃均為非封閉曲線，使得飛剪在空行程中沿鋼材運(yùn)動方向逆向剪切，這是 不允許的。b)c)2.機(jī)構(gòu)型綜合的方法及一般原則(1)固定一個構(gòu)件為機(jī)架，可得到一個全餃鏈機(jī)構(gòu)。(2 )可用移動副直接

5、代替轉(zhuǎn)動副而得到帶有移動副的機(jī)構(gòu)。(3 )具有兩個轉(zhuǎn)動副的一個構(gòu)件可變換成一個高副。(4) 最簡單機(jī)構(gòu)原則。首先采用最簡單的運(yùn)動鏈進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合，不滿足要求時才采用較 復(fù)雜的運(yùn)動鏈。(5) 最低級別機(jī)構(gòu)原則。一般采用多元連桿為機(jī)架不易得到高級別機(jī)構(gòu)。(6) 不出現(xiàn)無功能結(jié)構(gòu)原則。(7 )最低成本原則。加工易難及加工成本按如下順序遞增： 轉(zhuǎn)動副、移動副、高副。(8)最符合工藝要求原則。表2、3和圖4、5給出f=l、f=2各類運(yùn)動鏈及其結(jié)構(gòu)圖，作為進(jìn)行機(jī)構(gòu)變換的依據(jù)。/%金/圖4 f二1的運(yùn)動鏈結(jié)構(gòu)圖表2單自由度運(yùn)動鏈組合序號特性n3(1)nfnfnf肌備注in=4,l=1,n2=4, n3=0,

6、n3=0均為四 桿運(yùn)動 鏈iin=6, l=2,n2=5,n3=0,n4=liiiiii-1n=6, l=2,n2=4, n3=2, n4=0022022iii-2112112iviv-1n=8, l=3, n2=6, n3=0, n4=202220222iv-211221122vv-1n=8, l=3,n2=5,n3=2,n4=10120120022v-20120020122v-30121110112v-41111111111v-5012oil1122vivi-1n=8,l=3, n2=4, n3=4, n4=0002002002002vi-2oiloil002002vi-3000oil01

7、2012vi-4001oiloil111vi-5oiloiloiloilvi-6001001012012vi-7002001oil012表3兩自由度運(yùn)動鏈組合序號特性n3(1)血nsnsnqnqaan=5,l=1,n2=5,n3=0,n4=0bbn=7,l=2,n2=6, n3=0, n4=l3333cc-ln=7, l=2,n2=5,n3=2,n4=0023023c-2113113c-3122122dd-ln=9, l=3,02230223fef12f1if1of9toof17f6t5f 14t3t2e13e1h-2e1ie1oe1eooee cke5tri3tri2e1h-*3o2njil

8、嚴(yán)hn$4iioii7了尸hl尸iin尸4ii1oo o2o o2o o 2o o2o oo oo oo oo oo o oo o o21o22o22o3o2o2ooo2o o3o o 2o o2ooo2o2oo2oo o 3o2owo252o2212o3o22三o2o22o3o3o2o2o o 3oo2o2oo2o3o3o31o2o o 312*12o3o22o3o22o3h-*11112o12o o2223222o o 23h-*2213h-a223o 222231222h-a23石22h-a23 77zz> 厶 /f-13oiloil111111f-14oiloil012012圖5

9、f=2的運(yùn)動鏈結(jié)構(gòu)圖機(jī)構(gòu)變換例:選用圖4中最簡單的f=1的四桿運(yùn)動鏈進(jìn)行機(jī)構(gòu)變換。如圖6 a）所示以ad為機(jī)架；cd 為滑塊、d為移動副（圖6 b）;上、下刀刃分別裝在曲柄、滑塊上（圖6 c）。方案分析：方案滿足上、下剪刃運(yùn)動軌跡之一應(yīng)為封閉曲線的運(yùn)動要求。其最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡 單。但存在如下突出缺點(diǎn)：橫向尺寸大。偏距大、連桿長度短將使機(jī)構(gòu)壓力角增大。為 減小壓力角（x,必需增大連桿長度bc;調(diào)節(jié)鋼材定尺困難。定尺調(diào)短時曲柄轉(zhuǎn)速增高， 為使刀刃速度與鋼材速度v.同步，必需減小曲柄半徑ab和刀刃e的轉(zhuǎn)動半徑ae （圖6.d 中的ab ae，）。由于剪切點(diǎn)由點(diǎn)k上移到”，因此必需將鋼材抬起方能進(jìn)行

10、剪切，這是 不允許的。此為一個壞方案?？梢娚系度胁荒苎b在曲柄上。a)b)c)圖6曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的飛剪五.機(jī)構(gòu)尺度設(shè)計分兩步進(jìn)行：1.四桿機(jī)構(gòu)的相對尺寸設(shè)計；2.計算四桿機(jī)構(gòu)的絕對尺寸。1 四桿機(jī)構(gòu)的相對尺寸設(shè)計（見“機(jī)械原理” p126）已知參數(shù)：k, 丫2,屮計算機(jī)構(gòu)的相對尺寸a0 , b0 , c0 , d =1.2計算四桿機(jī)構(gòu)的絕對尺寸（1）曲柄半徑a剪切鋼板一次所需的時間i：t=l/vt （ s）曲柄的轉(zhuǎn)速刀/和角速度©:若曲柄銷的速度為vg,則曲柄半徑a為：玄=/3. 設(shè)：k=vb/v刀（k為曲柄銷b點(diǎn)的速度與刀刃平均速度之比）vk,v刀* 叭.由此得到：a=k 8 vt/o

11、i, a=ki 8l/(2初步設(shè)計時人可任選。（*機(jī)構(gòu)初步設(shè)計完成后再重新確定k）2四桿機(jī)構(gòu)的絕對尺寸相對尺寸為：a0 , b0 ,c0 ,d0 o絕對尺寸為：a ,b ,c ,d:求比例尺|i!=a/ao0得絕對尺寸：a=|iial), b=|ii.bi), c=|ilcft,d=屮。3刀刃位置確定如圖8所示，取機(jī)架角8=10。30。且使曲柄與機(jī)架共線的機(jī)構(gòu)位置來確定刀刃位置尺寸, 圖8這是考慮到：可得到刀刃重合量且此時有vf«vei (此時連桿的絕對瞬心在d點(diǎn)且有 32=g)。若計算出、5、e、a2,即確定了刀刃f、e的位置。f=dcosa-h(3)e= (f-a h)?+ (d

12、-a) 2-2 (f-a h) (d-a) cosaj"初步計算g、a2：a3=a4+ a。da由z1bcd按余弦定理求出。ot3求出后可由z1bde和/bdf求出s、s。然后由/bce按余弦定理求出g。注意到點(diǎn)、e、f應(yīng)滿足重和,即lc=lcpe故令lcef= (l ce+l c) /2按長度lcef及尺寸b,e,c, f重新計算(v、a*34-剪切角®的確定： 剪切角(p】®即剪切時所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角。由圖9知：(pi<01 =a4-zdab.zdab由zxadb按余弦定理求解。長度5由4be ( f ) d求得，abed白勺角5=zbec+zdeco z

13、bec、zdec 分別由 abec、 dec 按余弦定理求解。4 圖95 調(diào)整上下刀刃水平速度誤差當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角(p)=(pi(0)時飛剪對鋼材進(jìn)行剪切。此時若上、下刀刃e、f沿鋼材方向的速度 誤差太大，則出現(xiàn)傾斜的鋼材切口，甚至不能切斷鋼材。因此必需調(diào)整某參數(shù)以控制上、 下刀刃的速度誤差。上、下刀刃的速度可寫成如下矢量方程：(叫c若vq vfc垂直于鋼材運(yùn)動方向(即ce (f)線與鋼材運(yùn)動方向平行)，則其在 鋼材運(yùn)動方向的分量為零，人、vp沿鋼材的分量即v。沿鋼材的分速度而相等。故計算ce(f)的位置角輕，再使整個機(jī)構(gòu)沿順時針轉(zhuǎn)動以使ce (f)線與鋼材運(yùn)動方向平行。即 調(diào)整機(jī)架傾角azj使上、

14、下刀刃的速度誤差為零。先對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析求出申2角(參考機(jī)械原理p29p30),再由矢量多邊形方程 be=bc+ce由下式求輕角：tan = esin () -bsin/ecos 0 -bcos(6)q e = (j) e _9o。(7)zl仇即整個機(jī)構(gòu)沿順時針轉(zhuǎn)動的角度。按下式計算機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動后的機(jī)架傾角和各構(gòu)件 的位置角：a 4 =久 _莎°八i = 0“/ _ gg2 = 02 _ 40 £03 =(f)3_ (/)e6,調(diào)整刀刃與鋼材運(yùn)動速度同步先進(jìn)行運(yùn)動分析求出32、con再由矢量方程/知十龐求上、下刀刃沿鋼材方向的速度 分量vbt=ye vft=y/（機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分

15、析參考機(jī)械原理p29p30）。求出上、下刀刃沿鋼材 方向的平均速度v刀及拉鋼系數(shù)&5=心 /2（8）薩5匕（9）一般fc8,即上、下刀的速度不滿足拉鋼系數(shù)的要求。由于曲柄轉(zhuǎn)速不能調(diào)整故應(yīng)調(diào)整 曲柄半徑。初定曲柄半徑刀時公式中的匕（為曲柄銷b點(diǎn)的速度與刀刃平均速度之比） 是任意選定的，故應(yīng)按下式計算出實(shí)際的k值后重新計算曲柄半徑* :k；=g/ 兒,（10）a=k' 8嘰/o,或a =ki 8 l/ （2 兀）仃 1）為保證原始給定參數(shù) k、肖不變，各長度尺寸應(yīng)作如下調(diào)整：b=, c=d=e=f=由此得到滿足給定設(shè)計要求的機(jī)構(gòu)尺寸為帶*的參數(shù)，其剪切角為0"二。7,求曲

16、柄的平衡力矩必如圖8所示，按瞬時功率法求曲柄的平衡力矩胚mg-f(%+fm,=o(12)六.機(jī)構(gòu)設(shè)計性能校驗（用帶*號尺寸計算）檢驗剪切（|）<0）*i ）時，上下刀刃對刀誤差： 檢驗剪切時上下刀刃是否與鋼材運(yùn)動速度同步（5=可）； 檢驗剪切時上下刀刃速度的相對誤差av<0. 05/（x£ + xf ） 心療+ *）1,2,3,ax = 2xe -xf兀-yf y = 24，檢驗機(jī)構(gòu)是否達(dá)到給定設(shè)計要求（k、丫2、屮）5,從結(jié)構(gòu)尺寸、傳力性能等方面與方案5比較其優(yōu)劣。（作方案5的與方案1比較）mffc （人廠人）/ ©七設(shè)計的內(nèi)容及要求（一）設(shè)計說明書內(nèi)容（僅供

17、參考）1,設(shè)計任務(wù)（題目；具體設(shè)計內(nèi)容）；2, 飛剪的工作原理及工藝要求；3, 原始數(shù)據(jù)（工藝參數(shù)；設(shè)計參數(shù)）；4, 機(jī)構(gòu)型綜合（型綜合原理；工藝對機(jī)構(gòu)動作的要求；三種方案的比較：本計算方案、自己的方案、小 組內(nèi)自選一方案）；5, 機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計（四桿機(jī)構(gòu)相對尺寸計算；刀刃位置尺寸及剪切角的確定方法；機(jī)構(gòu)絕對尺寸計算及調(diào)整 的原理與方法；最終設(shè)計結(jié)果）；6, 機(jī)構(gòu)的平衡力矩計算；7, 主要結(jié)論（與方案5（1）比較列出機(jī)器的尺寸參數(shù)及性能；從機(jī)器的尺寸大小、機(jī)重、傳力等方 面比較本方案的優(yōu)缺點(diǎn)）；8, 結(jié)束語（設(shè)計心得與體會）9,參考文獻(xiàn)（作者文獻(xiàn)名.出版社.出版年月卷期號或頁號）（二）設(shè)計的具

18、體要求1,按自己的設(shè)計繪制機(jī)構(gòu)型綜合3僭一張。要求：1 ）如何從運(yùn)動鏈變換得到；2 ）按合理的比例繪制機(jī)構(gòu)簡圖；3）按比例畫出上下刀刃的軌跡并判斷方案的合理性；分析優(yōu)缺點(diǎn)。4）圖面填充率不小于75%,文字用仿宋體書寫。2,按機(jī)構(gòu)設(shè)計的最終尺寸，按比例繪制機(jī)構(gòu)圖（2#圖）及上下刀刃的軌跡。要求：1）標(biāo)出尺寸、運(yùn)動副、位置參數(shù)等的代號，列表標(biāo)出其數(shù)值；2）以x為起始位置將曲 柄圓周等分為12等分，圖解求點(diǎn)e、f的軌跡（加剪切點(diǎn)共13個點(diǎn)位）；3）列表標(biāo)出點(diǎn)e、f坐標(biāo)的圖解值與理論值及其相對誤差（）。4）圖面填充率不小于75%,文字用仿宋體書寫。3,設(shè)計說明書用鋼筆書寫、文字清晰 端正、內(nèi)容完整精煉

19、流暢。不少于15頁；4,闡明原理，方法時應(yīng)配有示意圖（用鉛筆儀器繪制）；5,將設(shè)計說 明書及兩張圖紙裝訂后粘貼封面。f飛剪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計機(jī)械原理課程設(shè)計5010班級方案號武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院10設(shè)計圖號18順序號審查1520,15-20<>va135附錄:機(jī)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法機(jī)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的設(shè)計方法。對于飛剪機(jī)構(gòu)也可使用優(yōu)化設(shè) 計，盡管其結(jié)果不如上述理論求解精確但如果需要還可增加更多的設(shè)計條件。有興趣的學(xué) 生可以試試。與理論求解相同，為保證給定的參數(shù)k、旳、屮，應(yīng)先計算出四桿機(jī)構(gòu)的相對尺寸a。、 b。、co. d0o只要確定一個絕對尺寸（如曲柄半徑a）就可

20、求出比例尺后再計算其它各絕對 尺寸。設(shè)計變量參數(shù)a、ou、e. 012、仁as、(p均可作設(shè)計變量。注意到剪時要求點(diǎn)e、f重合，上、下 刀刃的位置尺寸e、0c2和仁w之一為非獨(dú)立參數(shù),可根據(jù)e、f共點(diǎn)求出。故以下參數(shù)為 設(shè)計變量：x=x x2 x3 x。x j=a g e a； cp： 1 如圖10所示f、g根據(jù)e、f共點(diǎn)按下式求出： a3=q)3-arctan cs i d(p3+lcefs in(pe / ccos(plcefcos(pe(13)f= cs in(p3+lcefs incpj2 + ccos(p3+lcefcos(pe2(14)目標(biāo)函數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)考慮如下因素:1 ) ve

21、i與vfi間的誤差；2) v補(bǔ)vh要與鋼材x同步;3) 能剪斷鋼材。約束條件由于已考慮機(jī)構(gòu)的傳力性能且一定有曲柄，故只考慮設(shè)計變量的邊界約束。飛剪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型設(shè)計變量：x=xi x2 x3 x4 x y=a a4 e a2 (pilt目標(biāo)函數(shù)：f (x) =wjk-2vbt-vpt/ vbt+vpt i1k- (vetvpt )/(2 vt) ik-ahj 約束條件：0<xi<pi(i=l, 2, 3, 4, 5)/a，丿為各設(shè)計變量的上限；wi為各單項目標(biāo)的加權(quán)因子；k】、匚、兀分別為上下刀刃沿 鋼材方向的相對誤差許用值、拉鋼系數(shù)許用值和刀刃重合量許用值。4力為刀刃實(shí)際

22、重合量。按下式計算：力力=xfima-xeimin(i=l 2 3n)n為曲柄轉(zhuǎn)角的分點(diǎn)數(shù)。約束隨機(jī)法源程序數(shù)學(xué)模型：minf(x) = (x-8)2(x-8) 2s. t gj (x) =xi>0g2 (x) =x2-l>0g3(x)=11-x-x2>0設(shè)計變量的維數(shù)刀=2；約束數(shù)最小步長搜索方向數(shù)m=5其優(yōu)化源程序如 下：/ */tfdefine pi 3.1415926include "stdio.h"#include "math, h"#include "stdlib.h"ma in () ( *優(yōu)化主程序)

23、float x 20, xo 20, f, f 0, goalf 0 , constr (),sm, y 20, s 20, al=l. 3, kr, e=le-5;int n=2, i, j, g, k, m=50, numb=0, numb0=0;loopl: for (i=0; i<n; i+)printf ("xo %d =", i); scanf ("%f", &x0 i);g=constr (xo);printf(hg=%dnn,g);if (g=l) goto loopl;f 0=goalf (xo);for (i=0; i&

24、lt;n; i+) printf ("xo %d=%fn", i, xo i);printf ("fo=%fh,fo);loop2: k=l; j=0;loop3: sm=0;for (i=0; i<n; i+)kr=random (200); kr=kr/200;y i =kr*2-l; sm=sm+y i *y i;for (i=0; i<n; i+) (s i =y i /sqrt (sm); x i =x0 i +al*s i;ioop4: g=constr (x); numbo=numbo+; if (g=l ) if (j=0) goto loop6;else goto loop2; f=goaif (x); numb=numb+;if (f<f 0) goto loop5;if (j=0) goto loop6;else goto loop2;loop5:for (i=0; i<n; i+) xo i =x i;